(57)【要約】【課題】目的に応じて観察対象部分をより鮮明に可視化できるように照明する。とくに、光源波長よりも微小な観察対象を鮮明に可視化する。【解決手段】コヒーレンス光を出射する光源と、出射されたコヒーレンス光の進行方向断面に配置され、通過するコヒーレンス光を位相変調する複数個の光位相変調素子からなる光位相変調アレイと、各光位相変調素子を通過した光の進行方向断面に配置されて光の一部を遮る複数個のシャッターからなるシャッターアレイと、シャッターアレイを通過した光を観察対象部分に収斂させるための集光光学系と、光位相変調素子の変調度とシャッターアレイの各シャッターの開閉を制御する制御部とを備える照明装置。【選択図】図１
2006047389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象部分を照明する照明装置であって、
コヒーレンス光を出射する光源と、
出射されたコヒーレンス光の進行方向断面に配置され、通過するコヒーレンス光を位相変調する複数個の光位相変調素子からなる光位相変調アレイと、
各光位相変調素子を通過した光の進行方向断面に配置されて光の一部を遮る複数個のシャッターからなるシャッターアレイと、
シャッターアレイを通過した光を観察対象部分に収斂させるための集光光学系と、
光位相変調素子の変調度とシャッターアレイの各シャッターの開閉を制御する制御部とを備える照明装置。
【請求項２】
制御部が、観察対象を照射する光のコヒーレンシーと照射方向と入射角とがそれぞれ最適化されるように前記変調度と各シャッターの開閉とを制御することを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
光位相変調アレイが、マトリクス状に配置された位相変調素子からなる請求項１または２記載の照明装置。
【請求項４】
各光位相変調素子が、電気光効果を有する強誘電体結晶からなる請求項１〜３のいずれかひとつに記載の照明装置。
【請求項５】
シャッターアレイが液晶シャッターからなる請求項１〜４のいずれかひとつに記載の照明装置。
【請求項６】
制御部は、複数の照明条件を保持し、保持された照明条件から選択された各照明条件に応じて光位相変調アレイの変調度とシャッターアレイの各シャッターの開閉とを制御するように構成される請求項１〜５のいずれかひとつに記載の照明装置。
【請求項７】
前記請求項１〜６のいずれかひとつに記載の照明装置と、
観察対象部分からの散乱光を受けて観察対象を撮像する撮像部と、
撮像された観察対象の像の画像処理を行う画像処理部と、
画像処理された観察対象の像を出力する出力部と
を備えてなる撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微小な観察対象部分に照射する照明装置と、それを備える撮像装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小な粒子を高コントラストで観察するために、対象物を暗視野照明（限外照明）する照明装置が知られ、光学顕微鏡などに用いられている。光学顕微鏡の分解能の限界、すなわち像として識別できる最小寸法は、回折限界と呼ばれ、その寸法は、照明光源の波長相当とされている。しかし、分解能の限界は光源のコヒーレンシーに依存する。インコヒーレント光源を用いた照明装置を有する光学顕微鏡では、被検対象が微小になるとしだいにその像がぼやけていき、光源波長相当の寸法に至ると判別が不可能になる。しかし、その変化は連続的である。そして、光源波長より微小な寸法領域でもかろうじて識別可能なこともある。
【０００３】
図５は、上記の性質を概念的に示したグラフである。図５の横軸λ'は空間周波数であり、これは識別すべき２点間の距離に関連する。縦軸Ｐは観察対象面から散乱される光のパワースペクトル密度であり、観察対象の像の明瞭さに関連する。また、λは、光源波長に相当する寸法である。Ａはコヒーレント光源、Ｂはインコヒーレント光源の特性を示す。
【０００４】
一方、コヒーレント光源を用いた照明装置を有する光学顕微鏡では、光源波長よりも大きい寸法の被検対象の場合は明瞭な像が得られるが、光源波長よりも小さい寸法の像は得られない。識別可能寸法は、光源波長を境界としている。この性質に基づき、光源波長よりも大きな寸法領域において観察対象の明瞭な像が得られるレーザー顕微鏡が知られている。そのひとつとして、レーザビームを発生するビーム発生手段と、そのレーザビームを放射状に反射する放射光形成用の円錐状ミラーと、放射状に反射されたレーザビームを輪帯光に変換する輪帯光形成用の円錐状ミラーとを備え、この輪帯光を対物レンズの周囲から収斂させて観察対象部分を照明する照明装置を有し、この照明装置によって照明された対象物の画像を撮像素子で撮像するようにした光学システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
さらに、パーシャルコヒーレント光を用いた照明装置が知られている。ここで、パーシャルコヒーレント光源とは、光源から出射されるコヒーレント光のコヒーレンシーを低下させて得られる光源である。パーシャルコヒーレント光源を用いた照明装置のひとつとして、レーザビームの光路中にコヒーレンス低下素子を挿入し、低コヒーレンス化されたレーザビームで観察対象部分を照明することによって、レーザビームの空間的、時間的コヒーレンスに起因する干渉縞、フレネル回折、フランホファー回折などの影響を低減してより鮮明な画像を得る暗視野照明装置が知られている（例えば、特許文献２）。前記のパーシャルコヒーレント光による暗視野照明装置を用いれば、光源波長よりも小さい寸法の粒子に対して、インコヒーレント光源を用いた照明よりも明瞭な像を得ることができる。
【０００６】
図５のＣ１およびＣ２は、パーシャルコヒーレント光源の特性を表す。Ｃ１とＣ２は、互いにコヒーレンシーの低下の度合いが異なる。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−１６０７２３号公報
【特許文献２】特開２０００−１３１６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記のように、種々の照明装置があり、観察対象部分の大きさあるいは測定の目的に応じて用いる装置を選んで測定する必要がある。コヒーレンシーや照明条件を切替えて広い用途に適用可能な照明装置が望まれている。
【０００９】
さらに、観察対象の大きさや形状に応じてコヒーレンシーや照明条件などをきめ細かく制御して測定の目的によりふさわしい撮像結果を与える照明を可能とする。特に、レーザー波長以下の寸法の観察対象の明瞭な像を与える照明を可能とする照明装置が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、観察対象部分を照明する照明装置であって、コヒーレンス光を出射する光源と、出射されたコヒーレンス光の進行方向断面に配置され、通過するコヒーレンス光を位相変調する複数個の光位相変調素子からなる光位相変調アレイと、各光位相変調素子を通過した光の進行方向断面に配置されて光の一部を遮る複数個のシャッターからなるシャッターアレイと、シャッターアレイを通過した光を観察対象部分に収斂させるための集光光学系と、光位相変調素子の変調度とシャッターアレイの各シャッターの開閉を制御する制御部とを備える照明装置を提供するものである。
本発明において、制御部が、観察対象を照射する光のコヒーレンシーと照射方向と入射角とがそれぞれ最適化されるように前記変調度と各シャッターの開閉とを制御することが好ましい。
本発明において、光位相変調アレイが、マトリクス状に配置された位相変調素子からなることが好ましい。
本発明において、各光位相変調素子が、電気光効果を有する強誘電体結晶からなることが好ましい。
本発明において、シャッターアレイが液晶シャッターからなることが好ましい。
本発明において、制御部は、複数の照明条件を保持し、保持された照明条件から選択された各照明条件に応じて光位相変調アレイの変調度とシャッターアレイの各シャッターの開閉とを制御するように構成されることが好ましい。
【００１１】
また、この発明は、前記した照明装置のいずれかひとつの照明装置と、観察対象部分からの散乱光を受けて観察対象を撮像する撮像部と、撮像された観察対象の像の画像処理を行う画像処理部と、画像処理された観察対象の像を出力する出力部とを備えてなる撮像装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の照明装置は、光位相変調素子の変調度とシャッターアレイの各シャッターの開閉を制御する制御部を備えるので、観察対象の大きさ、形状に応じてその明瞭な像が得られるように観察対象を照明することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
まず、実施形態で使用される言葉の定義について説明する。
光位相変調素子とは、素子に入射する光の位相を素子に印加する外部信号に応じて変化させる素子のことをいう。その一例は、結晶に電界を印加するとその屈折率が変化する性質を持った電気光学結晶であり、屈折率変化が印加電界に比例するポッケルス効果を利用した光位相変調素子がしばしば使用される。
パーシャルコヒーレント光とは、例えば、互いに位相変調の度合いを異ならせた各光位相変調素子を通過した光であり、コヒーレンシーが低下した光のことを示す。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の照明装置の構成の一例を模式的に示す説明図である。図１で、１は半導体レーザーである。半導体レーザー１から出射したレーザー光は、ＬｉＮｂＯ3結晶からなる光位相変調素子をマトリックス状に配置した光位相変調アレイ２を通過する。光位相変調アレイ２の各光変調素子は、光位相変調制御部によって制御され、他の素子と独立して変調の深さあるいは変調の有無が制御される。図１０は、光位相変調アレイの構造を模式的に示した説明図である。図１０（ａ）は、光位相変調アレイの正面図であり、図に示したように、光位相変調素子１３がマトリックス状に配列されている。図（ｂ）は１−１'方向の断面図である。光は、矢印に示す方向に各光位相変調素子１３の内部を透過する。各光位相変調素子１３は、それぞれがドライバ１４に電気的に接続されている。ドライバ１４は、光位相変調素子１３に電圧を印加して、光位相変調素子内を通過する光を位相変調する。そして、各ドライバ１４は、光位相変調制御部３へ接続される。光位相変調制御部３は、制御プログラムを格納したパーソナル・コンピュータ８と、各光位相変調素子へ電圧を印加するための出力Ｉ／Ｆ部３とを用いて構成される。光位相変調アレイ２へ入射したレーザー光は、各光位相変調素子で異なる度合いの位相変調がされてコヒーレンシーが低下したパーシャルコヒーレント光になる。コヒーレンシー低下の度合いは、光位相変調制御部３を用いて光位相変調アレイ２の各光位相変調素子に印加する電圧を制御することにより一定の範囲で任意に変えることができるように構成されている。
【００１５】
光位相変調アレイ２を通過したレーザー光は、シャッターアレイ４を通過する。シャッターアレイ４は、ドットマトリックス液晶を用いて構成されている。図９は、シャッターアレイの開口形状の一例を示す説明図である。図９（ａ）と（ｂ）は、それぞれ異なる開口形状の例である。図８は、図９（ａ）、（ｂ）の開口形状をわかりやすく説明するための説明図である。図８に示す円弧１５は、図９（ａ）の開口形状に対応し、その半径がＲ１で中心角がαの円弧である。また、図８の円弧１６は、図９（ｂ）の開口形状に対応し、その半径がＲ２で中心角がαの円弧である。観察対象物は、開口部がなす円弧の中心Ｏを通ってシャッターアレイ面に垂直な軸上にシャッターアレイから所定距離だけ離して置かれるとすると、開口形状１５の場合の照射光の入射角θは、開口形状１６の場合の入射角θよりも大きい。しかし、観察対象を含んで前記軸と垂直な平面上に投影される照射光の光路は、いずれの開口形状であっても中心角αの広がりを持って同じ方向から観察対象を照射する。このように互いの中心角が等しい同心円状の円弧で開口形状を変化させて、観察対象上の照度分布の空間周波数、即ち解像度をかえることができる。
シャッターの各ドットの透過および遮光は、シャッター４に電気的に接続されたシャッターアレイ制御部５によって制御される。シャッターアレイ制御部５は前述したように制御プログラムを格納したマイクロコンピュータ８とドットマトリックス液晶を制御するためのＬＣＤコントローラを含むＩ／Ｆ部５を用いて構成される。
【００１６】
シャッターアレイ４を通過した光は、コンデンサーレンズ６を通過して観察対象物７に収斂されて照射される。
【００１７】
なお、照明装置の観察対象は、血液や尿などに含まれる有形物質、ファインセラミックス、顔料、化粧品用パウダー、トナー、研磨用パウダーのような無機物の粉体、および食品添加物のような有機物の粒体を含む。粒子径としては、０．１〜２０μｍ程度である。
また、対象粒子は、溶液中に浮遊する状態のものであってもよいし、ガラスのような板の上に固定された状態のものであってもよい。
【００１８】
上記実施形態では、レーザー光源としては、半導体レーザーが使用しているが、これに限定されず、コヒーレント光を出射するものであればよい。ガスレーザーや固体レーザーなどを用いることもできる。
【００１９】
上記実施形態では、光変調素子としてＬｉＮｂＯ3結晶を用いたが、ＬｉＴａＯ3、リン酸二水素カリウムやその他の強誘電体結晶を用いることができる。また、光の位相を変調するものであれば、電気光効果に限定されず、例えば磁気光効果や音響光効果を利用した素子であってもよい。
【００２０】
上記実施形態では、観察対象に照射される光は、位相変調されたパーシャルコヒーレント光を用いたが、すべての位相変調素子で位相変調を行わずに通過させた光、即ち位相変調されないコヒーレント光であってもよい。
【００２１】
上記実施形態では、制御部は、所望のコヒーレンシーおよび所望の方向あるいは入射角でパーシャルコヒーレント光を観察対象部分に照射するように各位相変調素子およびシャッターアレイを制御するようにしたが、コヒーレンシーのみを変えるように制御するものや、方向のみを変えるもの、入射角のみを変えるものあるいはそのうちの任意の２つを変える制御でもよい。
【００２２】
上記実施形態では、シャッターアレイはドットマトリックス液晶を用いて構成されているが、マトリクス状に配置された遮光素子からなっていてもよい。また、光の通過をオン／オフ制御可能なものであればよく、例えば、圧電素子を利用したメカニカルシャッターや、ＤＭＤ（登録商標）を用いた反射型のものであってもよい。
【００２３】
上記実施形態では、光位相変調制御部は、制御プログラムを格納したパーソナル・コンピュータと、各光位相変調素子へ電圧を印加するための出力Ｉ／Ｆ部とを用いて構成されているが、例えば、マイクロコンピュータ、前記マイクロコンピュータが実行する制御プログラムを記憶したＲＯＭを含む一体型の制御部を用いてもよい。
【００２４】
上記実施形態では、シャッターアレイ制御部は前述したように制御プログラムを格納したマイクロコンピュータと液晶シャッターを制御するためのＬＣＤコントローラを含むＩ／Ｆ部５を用いて構成される。が、例えば、マイクロコンピュータ、前記マイクロコンピュータが実行する制御プログラムを記憶したＲＯＭ、液晶シャッターを制御するためのＬＣＤコントローラを含む一体型の制御部を用いてもよい。
【００２５】
（実施の形態２）
図２は、実施の形態１の照明装置を用いた撮像装置の構成を模式的に示した説明図である。図２に示すように、撮像装置は、実施の形態１の照明装置に加えて、結像レンズ１１、ＣＣＤ１２からなる撮像部を備えている。観察対象物７からの散乱光は、結像レンズ１１を通過してＣＣＤ１２上に結像する。像は、電気信号に変換されて出力され、パーソナル・コンピュータ８へ入力される。パーソナル・コンピュータ８は、入力された観察対象物７の像に画像処理を施すプログラムが格納されており、これによって観察対象の像が処理される。その結果は、パーソナル・コンピュータ８が備えるディスプレイ９や、図示しないプリンタなどの出力装置へ出力される。
【００２６】
また、前述のように、パーソナル・コンピュータ８には、光位相変調アレイ２およびシャッターアレイ４を制御するための制御プログラムが格納されている。操作者は、観察目的に応じて光位相変調アレイ２およびシャッターアレイ４を制御して目的によりふさわしい像を得ることができる。例えば、図８において中心角αを３６０°とすることにより輪帯光を形成することができるが、観察対象が粒子の粒径測定の場合、粒子の輪郭が強調されるように輪帯光照明の入射角θを調整して粒径に応じた最適な分解能を選択する。一方、粒子内部の模様を観察することが目的の場合は、より高い分解能を必要とするので、入射角θを大きくしたり、あるいはコヒーレンシーを下げたりして観察対象を照射する。
あるいは、輪帯光照明のように全周から観察対象物７を照射するのではなく、特定の方向のみから観察対象を照射し、照射方向を変えた撮像を順次繰り返してそれらを画像処理で合成すれば、全周から照射するだけではコントラストが得られない部分が可視化された像を得ることができる。
【００２７】
（実施の形態３）
実施の形態２の撮像装置において、最適な照明条件を半自動的に決定するプログラムをパーソナル・コンピュータ８に格納し、観察を容易にすることができる。
【００２８】
パーソナル・コンピュータ８は、観察対象部分の像を画像処理するので、あらかじめ評価指標を定めておき、その評価指標に基づいて得られた画像を評価するように構成することができる。評価指標としては、例えば、コントラスト比、ヒストグラム分布などを用いることができるが、これらの指標に限らず、用途に応じてふさわしいものを決めればよい。また、複数の指標を重み付けして組み合わせ、使用してもよい。
【００２９】
図６は、この発明の撮像装置において、パーソナル・コンピュータ８に格納されるプログラムによって実行される処理の一例を示すフローチャートである。このプログラムによって、観察対象の撮像結果から最適なものを選択する。まず、あらかじめ、観察対象部分を照明するための複数の互いに異なる照明条件を決めておく。これらの条件は観察対象によって大まかに分類され、その内からひとつの条件群を選択するようにしてもよい。まず、これら複数の各条件のうち、最初の照明条件で観察対象を照明するように光位相変調アレイ２およびシャッターアレイ４を制御し（ＳｔｅｐＳ０１）、観察対象部分の撮像を行う（ＳｔｅｐＳ０２）。そして、撮像された観察対象の画像とそのときの照明条件をパーソナル・コンピュータ８が備える記憶部１０に一時的に保持する（ＳｔｅｐＳ０３）。また、それらの撮像結果を前記評価指標に基づいて評価する（ＳｔｅｐＳ０４）。そして、ＳｔｅｐＳ０５ですべての照明条件での撮像を終えたかどうかを判定し、さらに別の照明条件で撮像を行う場合は、ルーチンはＳｔｅｐＳ０６へ進む。そして、次の照明条件で観察対象を照明するように光位相変調アレイ２およびシャッターアレイ４を制御した後、ＳｔｅｐＳ０２へ進んで撮像を繰り返す。一方、すべての照明条件での撮像を終えた場合、ルーチンはＳｔｅｐＳ０７へ進み、ＳｔｅｐＳ０４での評価結果を比較して、最も高い評価を得た画像を選択する。そして、その画像を測定結果としてディスプレイ９へ表示する（ＳｔｅｐＳ０８）。また、選択した画像を最終的な測定結果として記憶部１０に格納したり、必要に応じて図示しないプリンタ等の出力装置に出力してもよい。
【００３０】
上記実施形態では、撮像装置は、異なる照明条件で撮像された複数の観察対象の像を所定の評価指標に基づき評価し、最良の評価結果を得た像を選択して観察対象の撮像結果とするようにしている。このようにすれば、異なる照明条件で撮像された複数の観察対象の像から最良の評価結果を得た像が自動的に選択されるので、観察対象についての最良の撮像結果を得ることができる。
【００３１】
（実施の形態４）
実施の形態３は、所定の複数の照明条件で撮像を行った後に、撮像された結果から最良のものを選ぶ処理を行って測定結果を出力する撮像装置の一例であるが、あらかじめ設定された照明条件が、常に観察目的に対して最良の照明条件を含むとは限らない。そこで、まず照明条件の変化幅を粗く設定して高い評価が得られる照明条件を絞り込んだ後、その近辺に存在するであろう最良の条件の探索をより細かい変化幅で行うようにすれば、一定の変化幅ですべての条件を探索する場合に比べて少ない撮像数で効率よく最適条件を決定することができる。パーソナル・コンピュータ８に格納するプログラムにこのような処理を付加することで、目的とする機能を備える撮像装置が実現できる。
【００３２】
ここでは説明を簡単にするために、照明条件の変化を照射光の入射方向に限って説明するが、入射角θや、光位相変調の度合いについても同様の考え方を適用することができる。図７は、撮像結果の評価に基づいて照明条件を決定するプログラムの一例を示すフローチャートである。図７のＳｔｅｐＳ１１〜１７は、それぞれ実施の形態３で述べた図６のＳｔｅｐＳ０１〜０７に対応する。ただし、実施の形態３よりも照明条件を大きく変化させ、撮像数は少ない。そして、ＳｔｅｐＳ１７で選択した画像と、そのときの照明条件と、さらにその照明条件の前後一対の照明条件と画像とを一組目の撮像の結果としてパーソナル・コンピュータ８が備える記憶部１０に格納する（ＳｔｅｐＳ１８）。例えば、一組目の照明条件として、シャッターアレイの開口形状が図８の開口形状１５である照明を要素の１つに含み、他の要素は、前記開口形状１５と中心を共有し、中心角がαであって、開口形状１５に対して角度をβずつ中心点Ｏの周りに回転させた円弧状の開口による照明であるとする。即ち、一組目の撮像結果は、半径がＲ１で中心角がαの円弧状の開口部を、点Ｏを中心に角度βずつ回転させてそれぞれ撮像した複数の画像の組である。１組目の画像のうち、最良の評価を得た画像の照明条件が、図８の開口形状１５であったとする。その場合、最良の照明条件に隣接する照明条件は、開口形状１５に対して角度βだけ時計まわりと半時計まわりにそれぞれ振った円弧状の開口形状である。
いま、角度βを４等分した角度をγとすると、第２組目の照明条件として、前記の円弧状の開口部を、点Ｏを中心にγ、２γ、３γ、−γ、−２γ、−３γだけそれぞれ振って照明し、それらの照明条件の下に撮像された画像を２組目の画像とする。なお、４γ、−４γだけ振った画像はすでに１組目で得られているので、重複した撮像は行わない。まず、これら複数の各条件のうち、最初の照明条件として開口形状１５よりγだけ回転させた開口形状で観察対象を照明するように光位相変調アレイ２およびシャッターアレイ４を制御し（ＳｔｅｐＳ１９）、観察対象部分の撮像を行う（ＳｔｅｐＳ２０）。そして、撮像された観察対象の画像とそのときの照明条件をパーソナル・コンピュータ８が備える記憶部１０に一時的に保持する（ＳｔｅｐＳ２１）。また、それらの撮像結果を前記指標に基づいて評価する（ＳｔｅｐＳ２２）。そして、ＳｔｅｐＳ２３ですべてのすべての照明条件での撮像を終えたかどうかを判定し、さらに別の照明条件で撮像を行う場合は、ルーチンはＳｔｅｐＳ２４へ進み、次の照明条件で観察対象を照明するように光位相変調アレイ２およびシャッターアレイ４を制御して次の照明条件を設定した後、ＳｔｅｐＳ２０へ進んで撮像を繰り返す。一方、すべての照明条件での撮像を終えたら、ルーチンはＳｔｅｐＳ２５へ進み、ＳｔｅｐＳ２３での評価結果および一組目で撮像された最良の照明条件とそれに隣接する照明条件の評価結果を比較する。そして、これらのうちで最も高い評価を得た画像を採用し、その画像を測定結果としてディスプレイ９へ表示する（ＳｔｅｐＳ０８）。また、選択した画像を最終的な測定結果として記憶部１０に格納したり、必要に応じて図示しないプリンタ等の出力装置に出力してもよい。このようにすれば、１組目の撮像で最良の評価結果が得られる方向の概略を決定し、２組目の撮像でその方向の付近を細かく調べて最適な画像を得ることができる。
【００３３】
上記実施形態では、撮像装置は、すでに撮像された複数の結果から、高い評価が得られた照明条件の付近に最良の条件が存在すると仮定し、高い評価結果が得られた照明条件の付近で細かく位相変調の度合いやシャッターアレイ形状を変化させて、さらに撮像を行い、観察目的によりふさわしい照明条件を決定する処理を行うようにしている。このようにすれば、異なる照明条件で撮像された複数の観察対象の像の評価に基づいてより好ましい照明条件で観察対象部分を照明するように各位相変調素子の変調度またはシャッターアレイの開口形状が制御されるので、前記照明条件の決定と撮像とを繰り返すことによって、少ない試行回数で好適な観察対象の像を得ることが期待される。
【００３４】
以上、４つの実施形態について説明してきたが、どの実施形態においても輪帯光照明に限ることなく観察対象を最適な方向と角度で照射するように制御することができる。このように構成された照明装置の利点とその理論的根拠に関する発明者の知見を以下に説明する。
【００３５】
この説明において話題にするのは、光の波長程度の微小な領域とその周期程度の短い時間に関するものである。光は、波動の性質を有し、ある時刻において観察対象に照射される光は、その観察対象面での位相に応じて照度が決まる。図３は、観察対象面をコヒーレント光で輪帯光照明した場合に観察対象面上に形成される照度分布の様子を模式的に示した説明図である。図３において、横軸は相対位置Ｌ、縦軸は光強度（照度）Ｉである。図３のように観察対象面上に照度の山と谷が周期的に生じるのは以下の理由による。図１１は、輪帯光照明とその場合に生じる照度分布を模式的に示す説明図である。図１１（ａ）に示すように、図示しない光源から出射されたコヒーレント光は、左斜め方向から入射する光束Ａと右斜め方向から入射する光束Ｂとに分かれてそれぞれ入射角度θ＝θ１で対向して入射し観察対象面上の点Ｖ１に照射される。各光束Ａ，Ｂの光源からＶ１までの光路長が互いに等しければ、両者の位相は一致して光は強めあう。Ｖ１から距離Ｌ１だけ離れた点Ｖ２では、光束Ａ，Ｂの光路長に差が生じる。その差Δが光源波長λの整数倍の場合は両方の光は強め合い、１／２波長の奇数倍の場合は両方の光は打ち消しあう。このため、観察対象面上の位置に応じた照度分布が生じる。図１１（ｂ）は、この様子を示している。観察対象面上に形成される照度分布の空間周波数λ'は、光源波長λと光束Ａ，Ｂの光路長差Δとに依存する。そして、光路長差Δは、入射角θの大きさに依存する。図１１（ｂ）ではλ'＝λ'１である。θが大きくなる程、Ｖ２における光路長差Δは大きくなる。換言すれば、θが大きくなるほど照度分布の空間周波数λ'は小さくなる。これは、入射角θの大きさが図１１の（ａ）と、それよりも大きい（ｃ）とを比較すれば理解しやすい。図１１の（ａ）は入射角θ＝θ１、（ｃ）はθ＝θ２の場合を示しており、θ２＞θ１の関係が成り立つ。この場合、点Ｖ２における各光速Ａ、Ｂの光源からＶ２までの光路長差Δは、入射角の大きい（ｃ）が、（ａ）に比べて大きい。従って、Ｌ１の間に生じる照度の山と谷は、図１１（ｃ）の方が（ａ）に比べてその数が多く、その逆に空間周波数λ'は（ｃ）が（ａ）よりも小さい。即ち、の図１１（ｂ）と（ｄ）のそれぞれの空間周波数、λ'１、λ'２についてλ'１＞λ'２の関係が成立する。
【００３６】
さらに、パーシャルコヒーレンス光で観察対象を輪帯光照明した場合、照射光は位相変調された光源光を含むが、この位相変調によって、光の波長（従って、振動数）も光源光とわずかに異なっている。これらの光が合成されてモアレのような効果を生じ、観察対象面には、コヒーレント光による照射に比べて高い空間周波数で低いコントラストの照度分布が生じる。図３のコヒーレント光による輪帯光照明に対し、図４は、パーシャルコヒーレント光で輪帯光照明した場合に観察対象面上に形成される照度分布の様子を模式的に示した説明図である。図４において、横軸は相対位置Ｌ、縦軸は光強度（照度）Ｉである。
図４に示すように、観察対象面上の照度分布は、コヒーレント光の場合に比べて直流成分が重畳され、より高い空間周波数のリップルが重畳されたような特性を示す。パーシャルコヒーレント光についても、前述のような照度分布の空間周波数の入射角に対する依存性が成立する。
【００３７】
観察対象面上に形成される照度分布の空間周波数λ'は、光学顕微鏡の解像度に密接に関係する。光学顕微鏡は、照明装置を用いて観察対象を照明し、観察対象から散乱される散乱光を受けて観察対象の像を生成するものであり、その解像度限界は回折限界とされている。回折は、光が輝点から波のように拡がって伝播していく性質に基づくが、この発明の照明装置を用いて照明された観察対象面において、輝点の最小構成単位は前述の空間周波数に対応する周期で配置された輝点と考えられる。これらの輝点から多方向に放射される光（散乱）によって、観察対象の像が形成される。輝点からの放射による像形成の考え方は一般に知られたものであり、例えば、ホログラフィーの原理を説明するために用いられている。前記の輝点の周期（間隔）より微小な領域に関する情報は得られず、その空間周波数が像の解像度限界である。前述のように、空間周波数λ'は、光源波長λと入射角θとに依存する。照明装置のシャッターアレイを制御して照明光の観察対象部への入射角を選択することにより、分解能を変えて観察対象を観察することができる。さらに、特定の方向のみから照明光を入射させることによって、輪帯光照明では別方向からの光で打ち消されてしまう情報を捕捉することも可能になる。
【００３８】
前述のように、図５は、観察対象面上に形成される照度分布の空間周波数λ'と、それに対して観察対象面から散乱される光のパワースペクトル密度との関係を模式的に示した説明図であるが、入射角θを制御することは、図５において、横軸の空間周波数λ'の値を変えることに相当する。また、各位相変調素子を制御することによってコヒーレンシーの低下の度合いを変えることができ、例えば、図５に示すＣ１の特性とＣ２の特性とが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の照明装置の構成の一例を模式的に示す説明図である。（実施の形態１）
【図２】実施の形態１の照明装置を用いた顕微鏡の構成を模式的に示した説明図である。（実施の形態２）
【図３】観察対象面をコヒーレント光で輪帯光照明した場合に観察対象面上に形成される照度分布の様子を模式的に示した説明図である。
【図４】パーシャルコヒーレント光で輪帯光照明した場合に観察対象面上に形成される照度分布の様子を模式的に示した説明図である。
【図５】観察対象面上に形成される照度分布の空間周波数と、それに対して観察対象面から散乱される光のパワースペクトル密度との関係を模式的に示した説明図である。
【図６】この発明の顕微鏡において、パーソナル・コンピュータ８に格納されるプログラムによって実行される処理の一例を示すフローチャートである。（実施の形態３）
【図７】撮像結果の評価に基づいて照明条件を決定するプログラムの一例を示すフローチャートである。（実施の形態４）
【図８】この発明の照明装置に係るシャッターアレイの開口形状の一例をわかりやすく説明するための説明図である。
【図９】この発明の照明装置に係るシャッターアレイの開口形状の一例を示す説明図である。
【図１０】この発明の照明装置に係る光位相変調アレイの構造を模式的に示した説明図である。
【図１１】輪帯光照明とその場合に生じる照度分布を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    半導体レーザー
２    光位相変調マトリックス
３    光位相変調制御部
４    シャッターアレイ
５    シャッターアレイ制御部
６    コンデンサーレンズ
７    観察対象物
８    パーソナル・コンピュータ
９    ディスプレイ
１０    記憶部
１１    結像レンズ
１２    ＣＣＤ
１３    光位相変調素子
１４    ドライバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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